摘要：在系統設計過程中將副控制回路設計成一個控溫系統，此時輸入就作為直徑調節器的輸出，而輸出的單晶爐溫度將對主被控對象單晶直徑產生直接作用。如圖3所示。在副控制回路中，對于單晶爐的溫度結構參數易變不易確定，通過純理論計算過程較為復雜，但采用仿真實驗方法進行測試就顯得比較方便。實驗時把單位階躍電壓信號即給定信號作為單晶爐的輸入，相當于單晶爐溫度突然變化的情況，通過仿真軟件測出單晶爐輸出溫度變化的過渡曲線。
1控制系統方案及構成
1.1 控制系統方案模糊控制是通過模仿人的思維方式和控制經驗來實現控制的一種新的控制方法。它不依賴于控制對象的數學模型，通過對模糊信息的處理可以對復雜的控制對象實施良好的控制，而且模糊控制具有良好的魯棒性，即當對象的參數或結構有一定程度變化時仍然可以保持較好的控制性，它最適合用于非線性系統或當輸入及操作描述存在著不確定性關系的系統。而PID控制是目前應用最為廣泛的控制規律，根據偏差的比例(P)、積分(I)、微分控制(D)進行控制。在實際運用和理論上分析都表明，運用這種控制規律對許多工業過程進行控制時，都能得到滿意的效果。
由于CZ法單晶等徑生長系統中影響晶體等徑生長的因素較多，例如：坩堝的溫度、提拉速度等，這些因素之間的關系是模糊的、不確定的，若單純采用模糊控制，實驗證明在線辨識結果不一定有效;若采用PID控制，實驗得出不僅控溫精度低，而且系統自適應能力較差。為了達到較高的精度，必須將模糊控制與PID控制算法相結合，綜合二者優點，系統選用模糊PID控制器。
1.2 基本構成本文論述CZ法單晶等徑生長模糊控制系統由直徑調節器、溫度調節器以及稱重測徑系統三部分組成，系統結構圖如圖1所示。其中直徑調節器是系統的控制核心，它可按用戶需求直接設定單晶直徑，并通過人機界面進行現場監視，方便用戶操作;溫度調節器又稱控溫儀，采用歐陸818P溫度控制器，該控制器內部為一智能的PID調節，與熱電偶配合使用進行測溫，測得的數據通過A/D轉換單元轉換為數字量，并利用系統軟件對其進行處理，同時輸出控制指令和數顯指令，完成整個測控系統的中央處理功能;稱重測徑系統具有獨立數據采集功能，采用簡單模糊控制器，利用單片機結合現場采集的直徑數據與用戶設定的直徑比較，產生偏差按照模糊PID控制算法計算出實時控制量即輸出量，再以此控制量通過D/A轉換電路改變輸出驅動信號調節晶體的提拉速度與堝升速度，使單晶直徑逐步達到用戶設定的直徑值。
2控制系統設計
2.1 控制回路組成CZ法單晶等徑生長控制系統中采用雙閉環串級控制系統結構。如圖2所示。系統設計為雙閉環回路中主控制回路由直徑調節器、副控制回路、晶體、測徑單元組成;副控制回路由溫度調節器、加熱器、單晶爐、測溫單元組成。其中把單晶直徑作為主被控對象，單晶爐溫度作為副被控對象;直徑調節器作為主調節器，溫度調節器作為副調節器。
2.2 控溫回路CZ法單晶等徑生長過程主要考慮因素之一是溫度控制，基本原理是由所測溫度與設定溫度校正曲線的溫度比較產生偏差信號作為模糊PID控制器的輸入，根據不同時刻的采樣點得到的偏差或偏差變化作為輸入變量，對系統被控對象參數K，T，?子，進行在線整定，輸出值可改變單晶爐溫度達到控徑的目的，同時也限制了單晶提拉速度的引起大范圍波動與變化，用來補償由于單晶長度生長變化而引起單晶爐中固、液體交界面熱穩態發生的變化。
3軟件設計
本系統邏輯控制軟件主要由單片機選用Intel公司的16位單片機80C196KC實現，采用模塊化結構設計。系統程序包括主程序和中斷子程序。其中主程序由初始化程序、A/D采樣子程序、鍵盤掃描子程序、模糊PID控制子程序等部分組成。系統主程序流程圖如圖3所示。初始化主要完成晶體輻射及熱傳導過程中系統各部件的初始化和自檢。鍵盤掃描和控制算法等子程序利用80C196KC豐富的中斷資源，在外部中斷和定時器溢出中斷子程序中完成溫度和直徑控制。與上位機的串行通信采用80C196KC自帶的UART硬件傳輸中斷，以滿足數據雙向傳輸的異步性和實時性要求。
模糊控制PID算法子程序包括輸入量的模糊化、模糊化計算、輸出量的解模糊化三部分。由于模糊集采用非線性分類，所以對輸出量KP、TI、TD進行線性劃分。系統對具體參數設置后，形成PID控制器的參數KP、TI、TD的調整規則表，并對其進行在線調整。最后使用加權平均法對在線已經調整好的這三個參數進行解模糊。(圖4)
4實驗結果
系統通過強大功能的仿真軟件MATLAB實驗測試，在Simulink的環境下搭建非線性模塊，當搭建好后再對系統進行直接仿真，測試表明：該控制系統將晶體單晶等徑生長過程的溫度控制與晶體提拉速度完美結合，所生長出的單晶直徑達到用戶要求，而且單晶的等徑控制精度可達±1mm、±1.2mm等等。系統不僅穩態精度明顯提高，而且具有良好的動態性能和靈活性。
5結語
本文針對單晶等徑生長過程，分析了影響單晶生長的因素，控制策略是結合模糊控制與PID控制的優缺點，并確定系統選用模糊PID算法，設計了一個模糊控制與PID控制算法相結合的單晶等徑生長控制系統。系統采用雙閉環串級控制其控制是在常用單回路的基礎上增加了由溫度調節器、坩堝加熱器以及測溫單元組成的副控制回路，并且通過實驗測試，可有效地實現了單晶等徑生長控制，系統能夠達到較高的穩態精度。
